激光二極管是在正常運行期間產生熱量的多種不同類型的電子設備之一，施加到此類設備的一些功率作用熱能損失。為了確保穩定的性能和高可靠性，在多余的熱量必須從激光二極管、微處理器和功率晶體管陶瓷基板等設備中導出，并在發熱設備周圍的材料（如電路板或設備外殼）或環境中安全消散。

沒有任何有源設備是100%有些的，這意味著電源或信號能量將不可避免地作為設備產生的熱量而損失。如果管理不當，由此導致的器件溫度升高會縮短有源器件（如激光二極管）的工作壽命。事實上，一個典型的高功率激光二極管通常以50%的效率運行，它產生的熱量與它產生的光一樣多。

隨著激光二極管輸出功率水平的增加，每單位器件面積產生的熱量也增加，需要對激光二極管進行有效且均勻的冷卻。通過了解不同陶瓷基板材料的熱行為以及各種三維（3D）結構（例如微通道冷卻器（MCC））如何促進熱流，可以通過其將熱量從發熱激光二極管中排出。封裝和散熱器到周圍環境，MCC有許多不同的材料制成，包括銅和陶瓷上覆銅的基板，其中一些MCC，例如歧管 MCC，小到可以嵌入到有源器件的封裝中，它們為其提供熱-傳遞函數。

激光二極管封裝或其封裝材料或散熱器的熱導率是指其傳導熱量的能力，以瓦特/米/開氏度 (W/mK) 為單位。熱量通過具有高導熱率或相反低熱阻的材料更有效地傳遞。例如，銅具有非常高的熱導率，約為 400 W/mK。熱阻或 R th是熱導率的倒數，當需要高熱流時，更需要較低的值。

可以找到給定材料的 R th值作為溫度變化 ΔT 的函數，該變化發生在激光二極管在全輸出功率和功率損耗 (P loss ) 或耗散的熱功率 (P thermo ) 下激光二極管：

R th = ΔT/P損失

其中 ΔT 是激光二極管上的最熱溫度 T結與某些參考或環境溫度 T環境（例如室溫）之間的差：

T = T結- T環境

熱量從激光二極管流向導熱材料的面積也決定了材料的熱阻以及散發給定量熱量所需的散熱器尺寸，當較小的散熱器與較大的散熱器的功率損耗和T相同時，可以得出結論，較大的散熱器具有較低的導熱率。因為相同數量的熱量通過較大的區域消散。通過 3D 結構（例如散熱器或 MCC）的熱流很少是簡單的線性函數，因此，激光二極管的熱管理解決方案必須考慮冷卻結構的機械設計，以及用于構建這些冷卻結構的材料的熱性能。

隨著緊湊型激光二極管產生的光功率水平（和熱量）增加，需要各種冷卻方法來保持激光二極管的工作溫度盡可能接近環境溫度。由于即使是低熱阻值的材料的冷卻限制，用于散發高功率激光二極管產生的熱量所需的冷卻結構也可能過大，除非使用具有出色熱性能的材料制造。通常還需要新穎的冷卻結構來有效地將熱量從激光二極管或大功率晶體管等有源器件中排出，機械配置（例如具有流通腔的 MCC）允許使用冷卻液通過 MCC 傳遞熱量并遠離熱源。通過使用這樣的結構。

材料特性

盡管銅具有優異的熱性能，但它通常與不同類型的陶瓷基板材料結合使用，以實現熱性能和電性能的混合，以實現高可靠性與激光二極管等高能有源器件的高可靠性。用于冷卻結構的典型陶瓷基板材料包括氧化鋁、氮化鋁和氮化硅。為了有效散熱，冷卻結構采用多層陶瓷絕緣體和多層銅，以促進熱量從有源器件流出。如前所述，這些冷卻結構還可以采用冷卻結構內的空腔，該冷卻結構具有某種形式的冷卻液，該預定流速已被優化用于有效地將熱量從熱源轉移出去。

這些陶瓷絕緣體的材料特性，以及用于將銅層相互連接到陶瓷基板的粘合工藝，對于冷卻結構的長期有效性至關重要。例如激光二極管的熱量產生的熱應力，由陶瓷絕緣體之類的周圍材料將隨著溫度發生膨脹，這由材料的熱膨脹（CTE）描述。CTE本質上定義了材料的尺寸將如何隨溫度增加，較大的值表示尺寸隨溫度增加的幅度更大。通過使用具有緊密匹配CTE的材料，可以最大限度低減少不同材料之間界面處的潛在熱應力。

類似地冷卻結構中銅層和陶瓷絕緣層之間的結合將在高溫下受到一定量的應力，這取決于它們的 CTE 特性的差異。通過使用 CTE 與銅非常匹配的陶瓷基板材料，可以最大限度地減少任何潛在的熱應力。例如，典型 CTE 為 1 ppm/K 的金剛石基板由于其隨溫度的穩定性而經常用作散熱器的基礎，盡管典型 CTE 為 17 ppm/K 的銅會在界面處承受應力銅和金剛石之間的鍵合，因為它們的線性膨脹率隨溫度變化很大。

然而，對于由銅和陶瓷材料層形成的實際冷卻結構，銅和前面提到的絕緣體材料之間的 CTE 匹配更接近，從而導致隨溫度變化的熱應力更小。例如，對于 Al 2 O 3陶瓷基板，CTE 為 6.8 ppm/K，與銅的 CTE 相當接近，而 Si 3 N 4的 CTE 為 2.5 ppm/ K，AlN 為 4.7 ppm/K。然而，Si 3 N 4和 AlN 的熱導率分別為 90 和 170 W/mK，高于 Al 2 O 3的 24 W/mK ，以改善熱冷卻結構中的散熱。

其他材料特性可以指導電路或系統設計人員選擇用于構建激光二極管冷卻結構的陶瓷絕緣體材料。例如，與其他陶瓷絕緣體材料相比，Si 3 N 4材料具有較高的機械強度，與使用活性金屬釬焊 (AMB) 或直接鍵合銅 (DBC) 工藝處理的傳統基板相比，具有更高的耐用性。這種材料特性表明，當將諸如 AlN 之類的陶瓷基板用作具有足夠銅層的精心設計的冷卻結構的基礎時，即使對于具有高功率密度的有源器件（例如激光二極管）也可以提供出色的散熱性能。

熱冷卻結構依賴于有效的粘合方法來連接銅對銅和銅對陶瓷層。將銅連接到陶瓷基板的兩種成熟的連接方法是 DBC 和 AMB 方法。DBC 是一種高溫工藝，通過該工藝純銅熔化并擴散到陶瓷基板上。AMB 也是一種高溫工藝，將純銅釬焊到陶瓷基板上。許多復雜的冷卻結構可能還需要大量薄銅層來增強熱量從熱源中的流動，并且通常在極高的加工溫度下通過共晶熔體連接多個薄的預氧化銅層，例如+1083°C。